鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)是怎么制造出來的呢？

近日，某央企的一則公開報道引起了大家的關(guān)注。報道稱，某工廠接到為某項目配套的S型排氣管的尾段的研發(fā)制造工作之后，克服了該零部件體型碩大、結(jié)構(gòu)復雜、內(nèi)膽內(nèi)腔成型要求高以及工裝剛性不足等諸多困難，最終圓滿完成了預定任務。

這是我國首次試制成功此類大型復雜零部件，不僅完成了某項目的配套任務，還顯著提升了我國在此領(lǐng)域的研發(fā)制造能力。該零部件的形狀和結(jié)構(gòu)大致如下圖所示。

這是典型的S型排氣管

那么如此龐大復雜的鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)是怎么制造出來的呢？該報道只是語焉不詳?shù)奶岬搅恕跋戎圃斐龇侄?，再用激光焊連接成成品”，而對分段是如何制造只字未提。然而只要對公開資料稍加查閱便可知道，生產(chǎn)制造此類大型復雜鈦合金薄壁零部件，最高效而又廉價且能做到近乎無余量制造的方法便是“吹糖人”——也就是采用超塑成形/擴散連接（以下用英文縮寫SPF/DB表示）技術(shù)。

所謂超塑成形(SPF)，就是利用材料的超塑性(superplasticity)，用模具擠壓材料，實現(xiàn)型腔成型的一種制造技術(shù)。早在上世紀20年代，人們便發(fā)現(xiàn)某些合金材料在特定溫度下有著異乎尋常的伸長率（也就是可以容忍非常巨大的變形而不發(fā)生破壞），而普通金屬材料在此情況下不是被拉斷，就是產(chǎn)生明顯的縮頸效應而無法使用，這就是所謂的超塑性。

事實上，對于幾乎所有的金屬材料，只要具備特定的顯微組織，并且溫度和變形速率滿足一定的要求，超塑性是普遍存在的。但是對于大多數(shù)金屬而言，出現(xiàn)超塑性的溫度范圍太窄，無法實際應用。但是鈦合金卻是一個例外，而它正好又是航空航天工業(yè)廣泛應用的材料，因此從上世紀60年代開始，鈦合金的超塑成形技術(shù)就開始了蓬勃發(fā)展。

超塑成形原理示意圖

而所謂的擴散連接(DB)，是指相互接觸的材料表面在溫度和壓力的作用下局部發(fā)生塑性變形，原子產(chǎn)生相互擴散，在界面接觸處產(chǎn)生擴散層，從而實現(xiàn)連接的技術(shù)。通俗一點說，包餃子或者包包子的收口工作就是典型的擴散連接。而擴散連接的這一特性，使得它成為了超塑成形技術(shù)的最好搭檔，比如當制造多層結(jié)構(gòu)的時候，可以一層一層的超塑成形，然后每層之間使用擴散連接固定在一起，這樣既能提高效率，又能有效降低整個結(jié)構(gòu)重量（我們的一個鄰國的航空航天產(chǎn)品之所以擺脫不了傻大笨粗的形象，一個關(guān)鍵的原因就是因為他們沒有掌握大型復雜零部件的SPF/DB技術(shù)，從而無法大幅降低多層結(jié)構(gòu)的重量）。所以這兩種技術(shù)通常情況下是聯(lián)用的，SPF/DB也就成了一個專有名詞。

之所以要用“吹糖人”來形容SPF/DB，就是因為吹糖人之所以可以實現(xiàn)，正是利用了麥芽糖在一定溫度下的超塑性，從而使得操作者可以隨意塑造出各種形象，并且利用擴散連接原理把需要連接的地方粘合上。

當然，鈦合金的“吹糖人”技術(shù)肯定比麥芽糖的要復雜很多，尤其是對于大型復雜零部件的制造更是如此，需要克服的技術(shù)難題包括但不限于超塑成形模具設計和制造、工裝設計、尺寸精度控制和表面質(zhì)量控制等。

因此，真正掌握該技術(shù)的國家寥寥無幾。美國和英國在上世紀70年代就掌握了該技術(shù)，F(xiàn)-15和F-22等多種型號的飛機上都大量使用了鈦合金SPF/DB零部件，美國和英國的多型先進航空發(fā)動機的鈦合金風扇葉片也采用了SPF/DB工藝。而我國從上世紀70年代開始便致力于SPF/DB技術(shù)的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化工作，先后有十幾所高校和科研機構(gòu)投身其中，最終，哈爾濱工業(yè)大學團隊的SPF/DB技術(shù)成功產(chǎn)業(yè)化，成為了我國制造技術(shù)進步的重要推手。

雖然起步稍晚，但經(jīng)過四十余年的長足發(fā)展，我國的SPF/DB技術(shù)已經(jīng)躋身世界先進行列。如航天科工集團飛航技術(shù)研究院下屬的航星公司已經(jīng)能做到一模兩件的生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)效率翻番的情況下，生產(chǎn)成本降低了30%以上，并且因為SPF/DB成型時間較短，受熱時間也較短，因此產(chǎn)品基本上不會出現(xiàn)晶粒粗化，并且可以有效控制回彈變形，尺寸1500mm左右的大型薄壁零部件的尺寸精度可控制在0.3mm以內(nèi)。

為了滿足某高新飛行器的研發(fā)制造配套要求，航星公司還牽頭研發(fā)了國內(nèi)首臺大工作臺面超高溫柔性數(shù)控三工位超塑成形設備并于2017年取得成功。

該設備的工作臺尺寸達3000mm×2000mm（世界第二，僅次于美國的3600×2400mm），最高工作溫度達1200℃，最大成型公稱力達20MN。此前此類大型核心設備只有美國掌握（英國用美國設備），且對我禁運，因此這一設備的研發(fā)成功使得我國的SPF/DB設備達到了世界一流水平，打破了美國在該領(lǐng)域的壟斷。

航星公司自主研發(fā)的超塑成形設備（圖片轉(zhuǎn)載自航天科工集團飛航技術(shù)研究院官方微信公眾號）

而此次我國成功制造出大型鈦合金S型噴管，則標志著我國的SPF/DB技術(shù)再上層樓，擁有了對更復雜的零部件的加工能力。

更為值得一提的是，SPF/DB技術(shù)不光在航空航天制造領(lǐng)域大放異彩，在民用制造領(lǐng)域也同樣可以大顯身手。我國高鐵車體的鋁合金“瓦楞紙”三層結(jié)構(gòu)便是SPF/DB的杰作，這樣的結(jié)構(gòu)在保證強度的情況下大幅降低了結(jié)構(gòu)重量，從而做到了整個車體的輕量化。在此需要指出的是，鋁合金的超塑性溫度范圍遠比鈦合金的要窄，因此鋁合金的SPF/DB技術(shù)一直是國際工業(yè)界的難點和痛點。這就是目前世界上只有我國有能力制造出如此輕量級的高鐵車體的原因。

而在為某“一帶一路”沿線國家的首都定制地鐵車輛的項目中，對方提出車廂內(nèi)的復雜形狀裝飾品要使用鈦合金制造（以彰顯該國的經(jīng)濟實力），其他競標企業(yè)對此都無能為力，唯有中車集團憑借SPF/DB技術(shù)輕松中標，拿下了這一大單。

如今，從航空到航天，從高鐵到汽車，SPF/DB這一“吹糖人”技術(shù)正在越來越多的助力我國的產(chǎn)業(yè)升級。這一系列重大成就，讓我們對我國的SPF/DB技術(shù)從世界先進水平發(fā)展到世界領(lǐng)先水平的那一天充滿期待。